MATLAB與系統(tǒng)仿真13

1、MATLAB與系統(tǒng)仿真 機電工程學院 勾燕潔 二一四年秋 第八章 Simulink的基本使用 Simulink是MATLAB的重要組成部分，用來進行 動態(tài)系統(tǒng)仿真、建模和分析。它不但支持線性系統(tǒng) 仿真，也支持非線性系統(tǒng)仿真，既可以進行連續(xù)系 統(tǒng)仿真，也可以進行離散系統(tǒng)仿真或者二者的混合 仿真，同時支持具有多種采樣速率的系統(tǒng)仿真。 Simulink提供建立系統(tǒng)模型、選擇仿真參數(shù)和 數(shù)值算法、啟動仿真程序?qū)υ撓到y(tǒng)進行仿真、設置 不同的輸出方式來觀察仿真結(jié)果等功能。 8.1 Simulink簡介 Simulink是一個進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。用模是一個進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜

2、合分析的集成軟件包。用模 塊組合的方法來使用戶能夠快速、準確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型，特別對塊組合的方法來使用戶能夠快速、準確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型，特別對 于復雜的非線性系統(tǒng)，它的效果更為明顯。于復雜的非線性系統(tǒng)，它的效果更為明顯。Simulink模型可以用來模擬線性、模型可以用來模擬線性、 非線性系統(tǒng)，連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)，單任務、多任務離散事件系統(tǒng)。也就是非線性系統(tǒng)，連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)，單任務、多任務離散事件系統(tǒng)。也就是 說，它可以用來模擬幾乎所有可遇到的動態(tài)系統(tǒng)。說，它可以用來模擬幾乎所有可遇到的動態(tài)系統(tǒng)。 在在Simulink提供的圖形用戶界面上，只需鼠標的簡單拖拉操作即可構(gòu)

3、造出提供的圖形用戶界面上，只需鼠標的簡單拖拉操作即可構(gòu)造出 復雜的仿真模型。它以圖塊方式呈現(xiàn)，采用分層結(jié)構(gòu)，既適用于自上而下復雜的仿真模型。它以圖塊方式呈現(xiàn)，采用分層結(jié)構(gòu)，既適用于自上而下 （Top-down）的設計流程（概念、功能、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、直至器件），又適于）的設計流程（概念、功能、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、直至器件），又適于 自下而上（自下而上（Bottum-up）逆程設計。這不僅能讓用戶知道具體環(huán)節(jié)的動態(tài)細節(jié)，）逆程設計。這不僅能讓用戶知道具體環(huán)節(jié)的動態(tài)細節(jié)， 而且能讓用戶清晰地了解各器件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)間的信息交換，掌握各部分之而且能讓用戶清晰地了解各器件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)間的信息交換，掌握各部分

4、之 間的交互影響。間的交互影響。 在在Simulink環(huán)境中，用戶將擺脫理論演繹時必須做理想化假設的無奈，觀環(huán)境中，用戶將擺脫理論演繹時必須做理想化假設的無奈，觀 察到現(xiàn)實世界中摩擦、風阻、齒隙、飽和、死區(qū)等非線性因素和各種隨機因素察到現(xiàn)實世界中摩擦、風阻、齒隙、飽和、死區(qū)等非線性因素和各種隨機因素 對系統(tǒng)行為的影響。在對系統(tǒng)行為的影響。在Simulink環(huán)境中，用戶可以在仿真進程中改變感興趣的環(huán)境中，用戶可以在仿真進程中改變感興趣的 參數(shù)，實時觀察系統(tǒng)行為的變化。由于參數(shù)，實時觀察系統(tǒng)行為的變化。由于Simulink環(huán)境使用戶擺脫了深奧數(shù)學推環(huán)境使用戶擺脫了深奧數(shù)學推 演的壓力和繁瑣編程的困

5、擾，因此用戶會產(chǎn)生濃厚的探索興趣，引發(fā)活躍的思演的壓力和繁瑣編程的困擾，因此用戶會產(chǎn)生濃厚的探索興趣，引發(fā)活躍的思 維，感悟出新的真諦。維，感悟出新的真諦。 1Simulink的啟動 在MATLAB的命令窗口輸入simulink或單擊MATLAB 主窗口工具欄上的Simulink命令按鈕即可啟動Simulink。 Simulink啟動后會顯示Simulink模塊庫瀏覽器(Simulink Library Browser)窗口。 8.1.1 Simulink8.1.1 Simulink的啟動與退出的啟動與退出 在MATLAB主窗口File菜單中選擇New菜單項下的 Model命令，在出現(xiàn)Simu

6、link模塊庫瀏覽器的同時，還會 出現(xiàn)一個名字為untitled的模型編輯窗口。在啟動 Simulink模塊庫瀏覽器后再單擊其工具欄中的Create a new model命令按鈕，也會彈出模型編輯窗口。利用模 型編輯窗口，可以通過鼠標的拖放操作創(chuàng)建一個模型。 一個簡單的例子一個簡單的例子 例 正弦波的輸出 模型創(chuàng)建完成后，從模型編輯窗口的File菜單項中選 擇Save或Save As命令，可以將模型以模型文件的格式(擴展 名為.mdl)存入磁盤。 如果要對一個已經(jīng)存在的模型文件進行編輯修改，需 要打開該模型文件。在MATLAB命令窗口直接輸入模型文 件名(不要加擴展名.mdl)。在模塊庫瀏覽

7、器窗口或模型編 輯窗口的File菜單中選擇Open命令，然后選擇或輸入欲編 輯模型的名字，也能打開已經(jīng)存在的模型文件。另外，單 擊模塊庫瀏覽器窗口工具欄上的Open a model命令按鈕或 模型編輯窗口工具欄上的Open model命令按鈕，也能打開 已經(jīng)存在的模型文件。 2Simulink的退出 要退出Simulink，只要關閉所有模型編輯窗口和Simulink 模塊庫瀏覽器窗口即可。 Simulink的模塊庫提供了大量模塊。單擊模塊庫瀏 覽器中Simulink前面的“+”號，將看到Simulink模塊 庫中包含的子模塊庫，單擊所需要的子模塊庫，在右 邊的窗口中將看到相應的基本模塊，選擇所

8、需基本模 塊，可用鼠標將其拖到模型編輯窗口。同樣，在模塊 庫瀏覽器左側(cè)的Simulink欄上單擊鼠標右鍵，在彈出的 快捷菜單中單擊Open the Simulink Libray 命令， 將打開Simulink基本模塊庫窗口。單擊其中的子模塊庫 圖標，打開子模塊庫，找到仿真所需要的基本模塊。 8.1.2 Simulink8.1.2 Simulink的基本模塊的基本模塊 信號源模塊組信號源模塊組 (Sources) Sine Wave：產(chǎn)生幅值、頻率可設置的正弦波信號。 雙擊圖標 ，彈出正弦波的參數(shù)設置框圖。圖中 參數(shù)為Simulink默認值，用戶可根據(jù)需要對這些參 數(shù)重新設置。 幅值、頻率為2

9、，基準為 0.5，其波形如下圖所示： Step：產(chǎn)生幅值、階躍時間可設置的階躍信號。 雙擊圖標 ,彈出階躍信號的參數(shù)設置框圖。圖 中參數(shù)為Simulink默認值。 當設置幅值為0.8,階躍時 間為1秒時，階躍波形如下 圖所示： 連續(xù)模塊組連續(xù)模塊組(Continuous) 離散模塊組離散模塊組 (Discrete) 數(shù)學運算模塊組數(shù)學運算模塊組 (Math Operations) ：加法器加法器。 該模塊為求和裝置。求和器形狀，輸入信號個 數(shù)和符號可設置，如右邊框圖。若設置如框圖。 則模塊顯示為： ：符號函數(shù)符號函數(shù)。 該模塊的輸出為輸入信號的符號。下圖為對正 弦信號經(jīng)符號運算后的波形。 ：實

10、現(xiàn)一個數(shù)學函數(shù)。 右圖為該函數(shù)的參數(shù)設置框。點擊函數(shù)設置的下拉 窗口，可選擇所需要的函數(shù)。選定函數(shù)后，該模塊 圖標將顯示所選函數(shù)。如選擇“Square”，則模塊 圖標變?yōu)椋?輸出池模塊組輸出池模塊組 (Sinks) 該庫包含了顯示和寫模塊輸出的模塊。雙擊 即彈出該庫的模塊圖： ：數(shù)字表，顯示指定模塊的輸出數(shù)值。 ：X-Y繪圖儀用同一圖 形窗口，顯示X-Y坐標的圖 形(需先在參數(shù)對話框中設 置每個坐標的變化范圍)， 當X、Y分別為正、余弦信 號時，其顯示圖形如下： ：示波器示波器。顯示在仿真過程產(chǎn)生的信號波形。 雙擊該圖標,彈出示波器窗如下圖所示： 分別管理X-Y、 X和Y軸向變焦 取當前窗中信

11、號 最大、最小值為 縱坐標的上下限 把當前軸的設置 保存為該示波器 的缺省設置 打開示波器 屬性對話框 設置為浮動示 波器 設置Y軸個數(shù) 設置顯示的時間范圍 選擇軸的標注方法 確定顯示頻度(每隔n-1個 數(shù) 據(jù) 點 顯 示 一 次 ) 確定顯示點的時間間隔(缺 省 為 0 表 示 連 續(xù) 顯 示 ) 示波器屬性對話框General頁 示波器屬性對話框Data history頁 設定緩沖區(qū)接受 數(shù)據(jù)的長度,勾選 為缺省狀態(tài),其值 為5000 確定示波器數(shù)據(jù) 是 否 保 存 到 MATLAB工作空 間。若勾選則為 保存，且需確定 變量名和保存格 式(缺省時,不被 勾選) 信號路線發(fā)送模塊組信號路線

12、發(fā)送模塊組 (Signal Routing) 斷續(xù)模塊組斷續(xù)模塊組(Discontinuous) 其他模塊組其他模塊組 Simulink模型有以下幾層含義：在視覺上表現(xiàn)為直觀的 方框圖；在文件上是擴展名為MDL的ASCII代碼；在數(shù)學 上體現(xiàn)了一組微分方程或差分方程；在行為上模擬了物理 器件構(gòu)成的實際系統(tǒng)的動態(tài)性狀。 從宏觀角度看，Simulink模型通常包含3種“組件”： 信源（Source），系統(tǒng)（System）以及信宿（Sink）。 8.2 Simulink模型的建立與仿真 8.2.1 Simulink8.2.1 Simulink模型是什么模型是什么 8.2.2 8.2.2 模型窗口的建

13、立和保存模型窗口的建立和保存 8.2.3 8.2.3 模塊操作模塊操作 模塊創(chuàng)建和選定 模塊復制、移動和刪除 模塊縮放、旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn) 模塊名操作 模塊的陰影和顏色 向量化模塊和標量擴展 Simulink中幾乎所有模塊都是向量化模塊（Blocks vectorized）。向量化模塊輸入量和輸出量之間的關系是 符合數(shù)學規(guī)則的向量關系y=F(x1,x2,xn)，式中x1,x2,xn 可以是標量或向量，但如果是向量必須長度相同。 Simulink中幾乎所有模 塊的參數(shù)都允許用戶進行設 置。雙擊要設置的模塊或在 模塊上按鼠標右鍵并在彈出 的快捷菜單中選擇相應模塊 的參數(shù)設置命令就會彈出模 塊參數(shù)對話框。該

14、對話框分 兩部分，上面部分是模塊功 能說明，下面部分用來進行 模塊參數(shù)設置。 模塊的參數(shù)設置 信號線操作 Simulink模型中的信號總是由模塊之間的連線攜帶并傳送 的，因此模塊間的連線稱為信號線（Signal lines）。在鏈接模 塊時，要注意模塊的輸入、輸出端和各模塊間的信號流向。在 Simulink中，模塊總是由輸入口接收信號，由輸出口發(fā)送信號。 例 建立一個慣性環(huán)節(jié)階躍響應的仿真模型。 (1) 在MATLAB主菜單中，選擇File菜單中New菜單項的 Model命令，打開一個模型編輯窗口。 (2) 將所需模塊添加到模型中。 (3) 設置模塊參數(shù)并連接各個模塊組成仿真模型。 設置模塊參

15、數(shù)后， 用連線將各個模塊連 接起來組成系統(tǒng)仿真 模型。模型建好后， 從模型編輯窗口的 File菜單中選擇Save 或Save as命令將它存 盤。 (1) Solver選項卡：用于設置仿真起始和停止時間，選擇微分方程求解算法并 為其規(guī)定參數(shù)，以及選擇某些輸出選項。 (2) Workspace I/O選項卡：用于管理對MATLAB工作空間的輸入和輸出。 8.2.4 8.2.4 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真 (3) Diagnostics選項卡：用于設置在 仿真過程中出現(xiàn)各類錯誤時發(fā)出 警告的等級。 (4) Advanced選項卡：用于設置一些 高級仿真屬性，更好地控制仿真 過程。 (5) Real-time

16、 Workshop選項卡：用 于設置若干實時工具中的參數(shù)。 如果沒有安裝實時工具箱，則將 不出現(xiàn)該選項卡。 8.3 Simulink模型仿真實例 用Simulink進行系統(tǒng)仿真的步驟如下： (1) 建立系統(tǒng)仿真模型，這包括添加模塊、設置模塊 參數(shù)以及進行模塊連接等操作。 (2) 設置仿真參數(shù)。 (3) 啟動仿真并分析仿真結(jié)果。 線性系統(tǒng) 非線性系統(tǒng) 離散時間系統(tǒng) 離散-連續(xù)混合系統(tǒng) 例1 調(diào)用工作空間中的信號矩陣作為模型輸入。 source.m function TU=source(T0,N0,K) t=linspace(0,K*T0,K*N0+1); %T0每段時長，N0每段時間點個數(shù) N=

17、length(t); u1=t(1:(N0+1).2; %分段 u2=(t(N0+2):(2*N0+1)-2*T0).2; %T0即T u3(1:(N-(2*N0+2)+1)=0; u=u1,u2,u3; %組合 TU=t,u; (1) 編寫一個產(chǎn)生信號矩陣的編寫一個產(chǎn)生信號矩陣的MM函數(shù)文件函數(shù)文件 (2) 構(gòu)造簡單的接受信號用的實驗模構(gòu)造簡單的接受信號用的實驗模 型。型。 信號源選擇信號源選擇siminsimin模塊，作用為模塊，作用為 從工作空間中指定的矩陣或構(gòu)架中從工作空間中指定的矩陣或構(gòu)架中 讀取數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)。 (3) 模塊參數(shù)的設置。模塊參數(shù)的設置。 雙擊信號源模塊，在設置框中雙

18、擊信號源模塊，在設置框中 DataData欄中填寫欄中填寫TUTU。 (4) 在命令窗口運行以下指令，工作在命令窗口運行以下指令，工作 空間中產(chǎn)生空間中產(chǎn)生TUTU信號矩陣：信號矩陣： TU=source(1,100,4); (5) 仿真，然后雙擊示波器查看信號。仿真，然后雙擊示波器查看信號。 例2 示波器應用示例。Simulink仿真模型如左圖所示，示 波器輸入為3（Y軸個數(shù)為3）。右圖為該示波器顯示的三 路輸入信號的波形. 例3 利用Simulink求解微分方程x=sin(t)，x(0)=0。 例4 復位積分器的使用。 (1) 構(gòu)造一個如圖所示的系統(tǒng)。構(gòu)造一個如圖所示的系統(tǒng)。 (2) 構(gòu)造復位積分器。構(gòu)造復位積分器。 雙擊積分模塊，在雙擊積分模塊，在External External resetreset外復位下拉框中選擇外復位下拉框中選擇risingrising 項，模塊會呈現(xiàn)兩個輸入端口。項，模塊會呈現(xiàn)兩個輸入端口。 下端口旁的符號表示：此端口下端口旁的符號表示：此端口 信號由負變正的瞬間，該積分信號由負變正的瞬間，該積分 器被強迫置零。器被強迫置零。 (3) 將